黑洞創(chuàng)造時間

示憐云

100多年前，愛因斯坦根據(jù)自己的廣義相對論預(yù)言，時空自身會產(chǎn)生“漣漪”并向周圍傳播出去，這就是引力波。在2015年9月，借助兩個位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO），人類第一次檢測到了引力波——它是由遠(yuǎn)在銀河系之外的兩個黑洞合并時產(chǎn)生的。

這個科學(xué)發(fā)現(xiàn)，不只是驗(yàn)證了廣義相對論的正確性，而且引力波還能為科學(xué)家了解宇宙打開一個新的窗口。此外，一位物理學(xué)家還相信，過不多久我們還能借助引力波目睹一個超乎想象的事件：時間的創(chuàng)生。

這位物理學(xué)家叫做理查德·米勒，是美國加州大學(xué)伯克利分校的教授。他認(rèn)為，當(dāng)黑洞合并時，除了擾動時空產(chǎn)生引力波之外，它還會產(chǎn)生一段新的時間。這是一個大膽的想法，但米勒的理論有著堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。

時間和空間的統(tǒng)一性

從亞里士多德到愛因斯坦，歷史上許多最杰出的思想家都曾探究過時間的本性，然而卻無功而返。古羅馬帝國時期的哲學(xué)家奧古斯丁就曾說過，“時間究竟是什么？沒有人問我，我倒清楚。有人問我，我想說明，便茫然不解了?！边@正概括了許多思想家的困境。

而米勒的理論可能有助于我們揭示時間的真相。他的理論基礎(chǔ)，就是愛因斯坦的相對論。根據(jù)相對論，我們生活在三維空間中并隨著時間的流逝從過去走向未來，這一切只不過是個錯覺。愛因斯坦堅持認(rèn)為，時間和空間不是彼此分離的，它們是同一個東西的不同體現(xiàn)，這個東西他被稱為“時空”。

愛因斯坦在他二十幾歲的時候，就發(fā)現(xiàn)根據(jù)他的這個想法，能導(dǎo)致一系列意想不到的效果。比如，一個物體在接近光速時時間會變慢，在運(yùn)動方向上長度會縮短。盡管看似不可思議，但相對論的這些預(yù)言都被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。然而，把時間和空間統(tǒng)一起來，仍然有一些問題。任何人都可以做一個簡單實(shí)驗(yàn)，指出其中一個問題：我們可以在空間中靜止不動，但在時間中卻不行。

當(dāng)然，還有其他難題?；镜奈锢矸▌t從不考慮時間是怎么流逝的，不管時間向前流逝還是向后流逝，都會給出同樣的答案。但從山川的侵蝕到萬物的衰變，我們周圍的一切似乎都在表明，時間的確有一個“箭頭”，從過去指向未來。

為了寫一本書，米勒開始把所有關(guān)于時空的問題都整理起來。在寫書的過程中，他頭腦中閃現(xiàn)出了一個靈感。他意識到，時間的流逝可能是一段段新的時間不斷產(chǎn)生帶來的。

那么，一段時間是怎么創(chuàng)造出來的呢？米勒在時間和空間的統(tǒng)一性中找到了答案。自從90多年前發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹以來，科學(xué)家們不得不接受這樣的觀點(diǎn)：宇宙在膨脹過程中，不斷有新的空間創(chuàng)造出來。米勒認(rèn)為，因?yàn)闀r間和空間是同一個東西的不同方面，那么這也意味著宇宙的膨脹可以創(chuàng)造出時間。

“每一時刻，宇宙變大一點(diǎn)，同時還多了一點(diǎn)時間。”米勒解釋道。這樣，米勒就成功地解釋了時間為何會流逝。他說，此時宇宙膨脹所產(chǎn)生的新的時間，就是我們所認(rèn)為的“現(xiàn)在”，而時間的流逝就是這些“現(xiàn)在”不斷產(chǎn)生帶來的。

創(chuàng)造時間的黑洞

米勒并不滿足于此，他還想找到一種方法來檢測他的理論。當(dāng)時，米勒還沒有找到一種可施行的檢測辦法，他選擇寫完他的書，并于2016年出版。這本書叫做《現(xiàn)在：物理的時間》。不過，就在他完成他的書的時候，LIGO的科學(xué)家宣布檢測到了引力波。這改變了一切。米勒意識到，LIGO可以檢測黑洞合并時創(chuàng)造時間的過程。因?yàn)樵谶@個過程中，它們創(chuàng)造了大量新的三維空間，同時也能創(chuàng)造出新的時間。

黑洞以毀滅者而不是創(chuàng)造者聞名，它們能創(chuàng)造出新的時間和空間的想法，是非常違反直覺。為了闡明這究竟是怎么一回事，可以使用一個類比來理解。單一的黑洞，通常被描述為時空組成的一張橡皮膜上的一個漏斗形凹陷。這個凹陷的面積會大于原來平坦時的面積，因?yàn)橄鹌つけ焕炝?。這個類比并不太完美，因?yàn)楹诙词侨S的，而橡皮膜是二維的。但從中，你可以理解黑洞制造出了更多的時空。

如果我們可以見證一個黑洞的誕生，那么我們不僅能檢測到創(chuàng)造出的新空間，我們應(yīng)該也能檢測到創(chuàng)造出的新時間。麻煩的是，不知道黑洞形成的精確時刻，你沒有辦法檢測到創(chuàng)造出的新時間造成的影響。

而LIGO檢測到引力波這個事件，給了米勒一個解決辦法。這個引力波是兩個黑洞合并時產(chǎn)生的。而在合并過程中，兩個黑洞會以螺旋式方式彼此靠攏。根據(jù)合并前的運(yùn)動狀況，科學(xué)家可以十分精確地預(yù)測出兩個黑洞何時發(fā)生合并。

米勒表示，黑洞的合并將再次創(chuàng)造出新的空間，因?yàn)樽罱K的黑洞質(zhì)量將比原來兩個黑洞中的任何一個都大。他進(jìn)行了粗略的計算，發(fā)現(xiàn)2015年9月的黑洞合并事件，將會在黑洞周圍創(chuàng)造出數(shù)百萬立方千米的新的三維空間，同時還會創(chuàng)造出一段一毫秒左右的時間。創(chuàng)造出的新時間，會導(dǎo)致黑洞最終合并為一個黑洞時產(chǎn)生的引力波在向外傳播時，會多花費(fèi)一段時間。LIGO的科學(xué)家應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)，檢測到的引力波信號存在一個短暫的延遲。

米勒不滿足于粗略的計算，他隨后與美國加州理工大學(xué)的相對論專家肖恩·馬奎爾開始合作，用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)進(jìn)行了分析。他們最終確認(rèn)，他們的理論是可行的，而且LIGO有能力檢測新創(chuàng)造出的“現(xiàn)在”。但他們發(fā)現(xiàn)，LIGO第一次檢測到的引力波信號略微弱了些，還不足以驗(yàn)證米勒的理論。米勒希望將來LIGO能夠檢測到更強(qiáng)的引力波信號，來驗(yàn)證他的理論。

米勒很樂觀，認(rèn)為過一兩年就能檢測到一個強(qiáng)信號。不過最近，他開始與一位同事一起在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計個實(shí)驗(yàn)，來測試他的想法。該實(shí)驗(yàn)涉及建造一個能測量本地微觀空間和時間的非常復(fù)雜的時鐘。米勒并不想透露出關(guān)于實(shí)驗(yàn)更多的細(xì)節(jié)，因?yàn)樗麄兿氤蔀檫@個研究領(lǐng)域的第一。

米勒還表示，他的同行們對他的研究比較感興趣，而且他們還沒有在他的理論中找到任何缺陷。也許，借助米勒和他的同事的實(shí)驗(yàn)，或一個來自深空的引力波信號，能讓我們目睹時間創(chuàng)生的過程，并最終揭示出時間的本質(zhì)。